JPH1084661A - 磁気浮上電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力の変更に容易に対応可能な磁気浮上電動
機を提供する。又、回転軸の円周方向に作用する磁気制
御力の変動を低減することにより、浮上安定性が秀れた
磁気浮上電動機を提供する。 【解決手段】 固定子のスロットに設置した巻線によ
り、ｍ極でなる回転駆動磁界に同期したｍ±２極の制御
磁界を重畳し、回転子に回転力を与えると同時に、回転
子の変位検出手段によって検出した回転子の変位から該
制御磁界を増減して該回転子を磁気浮上制御する磁気浮
上電動機において、固定子は巻線を接続する接続コネク
タ１５を介して脱着可能な２個以上の固定子ユニット１
２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃで構成し、回転子は軸方向に各固
定子ユニットに対応して分割して設置し（１３Ａ，１３
Ｂ，１３Ｃ）、固定子及び回転子の軸方向長さを調整可
能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体を回転駆動
するモータ作用と、回転体を磁気浮上制御する磁気軸受
作用とを兼ね備えた磁気浮上電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１９３５４７号公報、特開平
６−１３３４９３号公報等には、円筒型ステータ内に円
柱型ロータを組み込み、ステータに励磁回路を形成し、
ここでロータに回転力を与えると同時に所定位置に磁気
浮上保持して位置制御力を作用させる磁気浮上電動機が
開示されている。これは、ステータに回転駆動用の巻線
と制御用の巻線を備え、それぞれに三相交流電流を流す
ことにより、所定の関係の極数の異なる回転磁界を形成
し、円柱型ロータの回転軸垂直面に半径方向の磁気的吸
引力を偏配するものである。

【０００３】これにより、ロータを磁気的に吸引して、
ロータに回転力を付与するモータとして機能すると共
に、その浮上位置と姿勢を制御して、ステータに対して
非接触浮上支持が可能な磁気軸受として機能することが
できる。このため、従来必要とされていた磁気軸受に相
当する電磁石ヨーク部分及び巻線が不要となり、回転機
械の軸長を短縮して、軸振動からの高速回転の制限を少
なくすることができる。また回転機械を小型軽量化する
ことができる。また、制御巻線の電流と主巻線の電流と
により生じる磁界の相乗効果的な機能により、磁気軸受
に相当する動作を行えるので、従来の磁気軸受と比較し
てはるかに小さな電流で制御力が生じ、大幅な省エネル
ギー化が可能である。

【０００４】このように、磁気浮上回転機械について
は、いくつかの提案がなされている。駆動巻線と位置制
御巻線が別巻線であるもの、あるいは共通巻線であるも
のがあるが、基本としてはモータ回転駆動用磁界の極数
ｍと浮上位置制御用磁界の極数ｎが、ｎ＝ｍ±２となる
ことを必要としている。

【０００５】このような磁気浮上電動機を設計するに際
して、電動機の出力を変更するには、回転子と固定子の
軸長、スリット数、巻線数、電流容量等を個別に設計
し、これらの設計に従った回転子と固定子を個別に製作
する必要がある。従って、ある出力の磁気浮上電動機を
製作したとしても、これに対して例えば２倍の容量、或
いは半分の容量の磁気浮上電動機を必要とする場合に
は、これらの目標使用に対応した固定子及び回転子を設
計し直さなければならない。

【０００６】又、磁気浮上電動機は、例えば４極回転駆
動磁界をステータが形成し、その回転駆動磁界に引張ら
れるように回転子が回転する。従来の磁気浮上電動機の
固定子には、軸方向に沿ってステータの巻線を収納する
スロットが形成されており、この巻線に供給される励磁
電流により、円周方向には例えば４極の回転駆動磁界が
形成される。このため、回転子には軸方向には均一な磁
界が作用するが、円周方向には固定子側に４極の磁極が
存在するため、円周方向に沿って回転子には磁界の強弱
のリップルが生じて作用することになる。このため、回
転子を浮上支持する磁気制御力が円周方向に沿って変動
し、浮上安定性を損なうという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みて為されたもので、出力の変更に容易に対応可
能な磁気浮上電動機を提供することを目的とする。

【０００８】又、回転軸の円周方向に作用する磁気制御
力の変動を低減することにより、浮上安定性が秀れた磁
気浮上電動機を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気浮上電動機
は、固定子のスロットに設置した巻線により、ｍ極でな
る回転駆動磁界に同期したｍ±２極の制御磁界を重畳
し、回転子に回転力を与えると同時に、変位検出手段に
よって検出した該回転子の変位から該制御磁界を増減し
て該回転子を磁気浮上制御する磁気浮上電動機におい
て、固定子は巻線を接続する接続コネクタを介して脱着
可能な２個以上の固定子ユニットで構成し、回転子は軸
方向に前記各固定子ユニットに対応して分割して設置
し、前記固定子及び前記回転子の軸方向長さを調整可能
としたことを特徴とする。

【００１０】又、前記各固定子ユニットは、そのスロッ
ト間の角度を単位として該固定子の中心軸について互い
に回転して設置し、前記接続コネクタは、固定子を軸中
心で回転して設置する以前のスロットを貫通する巻線を
回転後に連続して接続するように結線したことを特徴と
する。

【００１１】又、前記回転子は、互いに回転して設置し
た前記複数個の固定子ユニットのそれぞれの回転角度に
応じて回転して設置したことを特徴とする。

【００１２】上述した本発明によれば、固定子は巻線を
接続する接続コネクタを介して脱着可能な２個以上の固
定子ユニットで構成し、回転子はこの固定子ユニットに
対応して分割して設置することから、単位固定子ユニッ
トの整数倍の出力を有する磁気浮上電動機を容易に構成
することができる。これにより、固定子と回転子の基本
的な設計を初めからやり直すことなく、磁気浮上電動機
の出力の変更に容易に対応可能となる。

【００１３】又、複数個の固定子ユニットは、スロット
間の角度を単位として固定子の中心軸について互いに回
転して設置することから、円周方向に沿って回転軸に作
用する磁気吸引力のリップルを平準化することができ
る。従って、回転子を浮上支持する磁気制御力が円周方
向に沿って変動することを低減でき、浮上安定性に秀れ
た磁気浮上電動機を提供することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。図１は、本発明の一実施例の磁気浮
上電動機の回転軸に沿った断面を示し、図２は図１のそ
れぞれＡＡ線、ＢＢ線、ＣＣ線に沿った断面を示す。

【００１５】この磁気浮上電動機は、ケーシング１０に
３個の固定子ユニット１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが回転軸
方向に沿って脱着可能に配置されている。各固定子ユニ
ット１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、それぞれ同一の寸法、
スロット数、巻線を備えている。そして各固定子ユニッ
ト１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ間は、それぞれの固定子ユニ
ットに付属した接続コネクタ１５を介して、接続線１６
により接続されている。ステータ１２Ａには、固定子巻
線の巻始めと巻終わりのコネクタ１５Ａ，１５Ｂを設け
ている。供給される励磁電流は、巻始めのコネクタ１５
Ａから、固定子ユニット１２Ａの巻線、固定子ユニット
１２Ｂの巻線、固定子ユニット１２Ｃの巻線を通り、巻
終りのコネクタ１５Ｂに循環するように、各固定子ユニ
ットの巻線がコネクタ１５及び接続線１６により接続さ
れている。

【００１６】この固定子ユニットの各巻線は、固定子ヨ
ークのスロットに配置され、本実施例では４極でなる回
転駆動磁界と、これに同期した２極の回転制御磁界をそ
れぞれの固定子ヨークの内周側に形成する。回転軸１１
には、それぞれの固定子ユニット１２Ａ，１２Ｂ，１２
Ｃの固定子ヨークの内周面側に空隙を介してそれぞれ対
向する回転子ユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを固着し
ている。本実施例では、各回転子ユニットは磁性材の凸
極を有するいわゆるリラクタンス型のロータである。

【００１７】従って、各固定子ユニットは、巻線に供給
される励磁電流が形成する４極回転駆動磁界とこれに同
期した２極回転制御磁界をその内周面側に空隙を介して
配置された各回転子ユニットに作用させる。各回転子ユ
ニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃはその凸極が回転駆動磁
界の作用を受けて回転駆動されると共に磁気浮上力が作
用し、４極回転駆動磁界と２極回転制御磁界の重量によ
り、円周方向に磁束が偏配されることで、磁気浮上位置
制御される。

【００１８】図２に示すように、各固定子ユニットはス
ロット間の角度を単位として固定子の中心軸に付いて回
転して設置してある。図中、Ｎa，Ｎbは二相の４極回転
駆動磁界を発生する主巻線を示し、符号＋と−は巻線の
巻き方向を示す。同様に、Ｎa，Ｎbは２極回転駆動磁界
を発生する制御巻線を示し、符号＋と−は巻線の巻方向
を示す。又、各スロットに付した番号はスロット番号を
示す。図１における固定子ユニット１２Ａの断面を
（Ａ）に示し、固定子ユニット１２Ｂの断面を（Ｂ）に
示し、固定子ユニット１２Ｃの断面を（Ｃ）に示す。

【００１９】図示するように、固定子ユニット１２Ｂを
中心として、固定子ユニット１２Ａは反時計方向に１ス
ロット分だけ回転して設置されており、固定子ユニット
１２Ｃは固定子ユニット１２Ｂに対して１スロット分だ
け時計回り方向に回転して設置されている。各回転子ユ
ニットも各固定子ユニットに対応してその凸極部が１ス
ロット分だけ各固定子ユニットのスロットの回転に対応
して回転して設けられている。

【００２０】図３は固定子ユニット１２Ａと１２Ｂ間の
接続の状態を示す（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は接続
部分を円周方向に展開した展開図である。接続部分の断
面図（Ａ）に示すように、固定子ユニット１２Ａの出口
側コネクタ１５と固定子ユニット１２Ｂの入口側コネク
タ１５とは接続線１６により接続されている。そして、
展開図（Ｂ）に示すように、各固定子ユニットの巻線が
収納されるスロットは、それぞれ円周方向に１スロット
分づづずれており、同一のスロット番号の巻線が接続線
１６により各コネクタ１５，１５間において接続されて
いる。この関係は、図示しないが、固定子ユニット１２
Ｂと１２Ｃ間の接続においても同様である。

【００２１】巻線Ｎaについて説明すると、巻線は固定
子ユニット１２Ａのスロット位置の左側から入り、右側
に抜け、コネクタ１５に接続し、スロット３と７ではコ
ネクタ１５に接続した巻線が図中の右側から左側に抜け
る。固定子ユニット１２Ｂについては、１スロット分ず
れた関係で巻線Ｎaは同様に巻回される。更に、固定子
ユニット１２Ｃについても同様に１スロット分回転した
関係で巻線Ｎaは同様に巻回されている。４極回転駆動
磁界を発生する他方の相である巻線Ｎbについても、各
固定子ユニット１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに関してそれぞ
れ１スロット分づづ回転した関係で同様に巻回されてい
る。又２極回転制御磁界を形成する制御巻線Ｎα，Ｎβ
についても同様である。

【００２２】従って、上記のように構成した３個の固定
子ユニット１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃによって各巻線は１
スロット分づづそれぞれの固定子ユニットに付いて回転
して接続され、各スロットを貫通する。一方、回転子ユ
ニットは各対応する固定子ユニットに対して、凸極が上
述の固定子のスロットの回転角度と等しく回転して回転
軸１１に固着される。

【００２３】図４は、各回転子に作用する磁気力Ｆmの
大きさ及び方向を示す。図示するように、固定子ユニッ
ト１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにおいてそれぞれ１スロット
分（４５゜）回転させて巻線を配置しているので、４極
回転駆動磁界の磁極Ｎ，Ｓも図示するようにそれぞれ回
転した位置関係になる。従って、回転軸に作用する発生
制御力Ｆmのベクトルはそれぞれ矢印で図示するように
なる。

【００２４】図５は、発生制御力Ｆmの円周方向に沿っ
た変化を示す図である。図示するように磁気制御力Ｆm
は回転角９０゜（π／２）毎にピークとなり、そのピー
クと谷部の大きさの関係は √２：１ となる。そして、固定子１２Ａと１２Ｃはピークが一致
して、固定子１２Ｂはピークが４５゜（π／４）ずれた
関係にある。従って、これらの３個の固定子１２Ａ，１
２Ｂ，１２Ｃの合成制御磁気力Ｆmは角度０，π／４，
π／２・・・で２＋√２となり、その中間のπ／４，３
π／４・・・で、１＋２√２となる。従って、変動分は √２−１ となる。スロットの角度をずらさない従来の場合には、
変動分が ３（√２−１） である。従って、固定子と回転子を回転して設置しない
場合の発生制御力の総和の変動分と比較して１／３とな
る。

【００２５】上記実施例においては回転子の凸極数も４
極としたが、回転子の極数が増加しても同様に適用でき
ることは勿論である。又、本実施例はリラクタンス型の
回転子について説明したが、回転子の構造は誘導機型で
も永久磁石同期型でも同様に適用できることは勿論のこ
とである。

【００２６】尚、上記実施例においては、同じ容量の３
個の固定子ユニットを組合せる例について説明したが、
基本となる固定子ユニットを複数種準備しておき、これ
らを組合わせることによって、更にきめの細かい出力の
変更に対応が可能である。

【００２７】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、要求さ
れる電動機出力に対応して、ユニット化した固定子と回
転子の組合せを変更するだけで出力の変更が可能であ
る。これにより磁気浮上電動機の設計の時間の短縮と低
コスト化を実現できる。更に、固定子ユニット間で巻線
が挿入されるスロットを円周方向にずらせて接続するこ
とにより、回転軸の回転角度に応じた発生制御力の変動
を低減することができ、浮上制御力の安定化が計れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の磁気浮上電動機の回転軸に
沿った断面図。

【図２】図１の（Ａ）ＡＡ線に沿った断面図、（Ｂ）Ｂ
Ｂ線に沿った断面図、（Ｃ）ＣＣ線に沿った断面図。

【図３】図１における（Ａ）固定子ユニット間の接続部
分の断面図、（Ｂ）接続部分の円周方向に沿った展開
図。

【図４】上記固定子ユニット（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の発生
制御力の説明図。

【図５】回転軸に作用する発生制御力の回転角度に対応
したグラフ。

【符号の説明】

１０ ケーシング １１ 回転軸 １２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 固定子ユニット １３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 回転子ユニット １５ コネクタ １６ 接続ケーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 忠 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 茅島 直史 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子のスロットに設置した巻線によ
   り、ｍ極でなる回転駆動磁界に同期したｍ±２極の制御
   磁界を重畳し、回転子に回転力を与えると同時に、変位
   検出手段によって検出した該回転子の変位から該制御磁
   界を増減して該回転子を磁気浮上制御する磁気浮上電動
   機において、 固定子は巻線を接続する接続コネクタを介して脱着可能
   な２個以上の固定子ユニットで構成し、回転子は軸方向
   に前記各固定子ユニットに対応して分割して設置し、前
   記固定子及び前記回転子の軸方向長さを調整可能とした
   ことを特徴とする磁気浮上電動機。
2. 【請求項２】 前記各固定子ユニットは、そのスロット
   間の角度を単位として該固定子の中心軸について互いに
   回転して設置し、前記接続コネクタは、固定子を軸中心
   で回転して設置する以前のスロットを貫通する巻線を回
   転後に連続して接続するように結線したことを特徴とす
   る請求項１記載の磁気浮上電動機。
3. 【請求項３】 前記回転子は、互いに回転して設置した
   前記複数個の固定子ユニットのそれぞれの回転角度に応
   じて回転して設置したことを特徴とする請求項２記載の
   磁気浮上電動機。